Tecnologie Chimiche Industriali Programmazione Anno Scolastico 2016/17 Classe 5ªG

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1 Insegnanti: Lorenzo Turci e Roberto Arletti Tecnologie Chimiche Industriali Programmazione Anno Scolastico 2016/17 Classe 5ªG Finalità Tecnologie chimiche industriali, che si sviluppa nel corso dell'intero triennio, è una disciplina che studia le applicazioni industriali e impiantistiche della chimica. Il programma è strutturato in modo da permettere agli studenti di acquisire, nel corso del triennio, competenze sempre più specifiche nella comprensione e progettazione di impianti industriali finalizzati alla produzione di sostanze chimiche e al trattamento dei rifiuti urbani, agricoli e industriali con particolare riferimento alla depurazione delle acque. Obiettivi specifici Obiettivi disciplinari previsti in termini di: Conoscenze Principi fondanti delle più significative operazioni unitarie della chimica industriale. Bilanci di materia ed energia relativi alle operazioni unitarie studiate. Caratteristiche costruttive e di esercizio delle apparecchiature relative al primo punto. Consolidamento di un linguaggio tecnico appropriato. Alcune significative produzioni industriali Conoscere le norme che regolano il disegno tecnico. Conoscere in modo corretto gli argomenti a carattere tecnologico esponendoli con un linguaggio disciplinare appropriato. Competenze Risolvere esercizi numerici riguardanti i bilanci di materia ed energia per il dimensionamento di massima di apparecchiature relative alle più significative operazioni unitarie della chimica industriale. Saper raccogliere dati ed interpretare grafici e tabelle. Inserirsi con adeguate competenze nell'industria chimica e operare con diversi gradi responsabilità nell'ambito della produzione fornendo corretti elementi di valutazione sugli aspetti chimici, chimico fisici, economici ed impiantistici di un processo chimico. Interpretazione corretta delle norme UNI-Chim Traduzione in disegni tecnici di processi industriali. Interpretazione di disegni tecnici di processi industriali. Formulazione corretta di adeguate strategie tecnologiche per la realizzazione di processi industriali. Conoscenza e utilizzo dei vari metodi di regolazione legati ai processi chimici. Abilità Saper fare scelte di impianto e di esercizio economicamente vantaggiose ( es. recupero di calore). Saper individuare connessioni interdisciplinari ( aspetti chimico-fisico, chimico- analitico, economico). Cogliere gli aspetti legati alla salvaguardia ambientale rappresentazione, mediante tavole, di processi industriali secondo le norme che sintetizzino coerentemente conoscenze e competenze acquisite anche in termini di regolazioni dei processi trattati.

2 Conoscenze, competenze e abilità minime Conoscere gli essenziali aspetti teorici delle operazioni unitarie e dei processi studiati. Saper fare bilanci di materia e di energia. Saper interpretare correttamente grafici e tabelle. Saper predisporre semplici schemi d'impianto. Contenuti minimi per ciò che attiene il corso disciplinare sperimentale-grafico di Tecnologia Chimica Industriale Al termine del corso l'alunno deve aver raggiunto i contenuti generali, con la specifica dei correlati sotto contenuti, qui di seguito riportati: Padronanza nell'utilizzo degli strumenti e delle apparecchiature sperimentali utilizzate nei vari processi industriali trattati. scelta delle apparecchiature adeguate ai processi tecnologici trattati. inserimento negli elaborati grafici delle apparecchiature scelte in modo corretto con l adeguata regolazione. Raggiungimento di una autonomia organizzativa tale da consentire lo svolgimento di elaborati grafici da un tema assegnato saper circoscrivere il problema scelto e definirne il relativo schema a blocchi. saperne individuare gli elementi tecnologici adeguati al problema assegnato. saper ricercare, attingendo da varie fonti, le informazioni necessarie allo svolgimento del tema. saper applicare le conoscenze già acquisite al fine di sviluppare schemi di processo strumentali coerenti con le norme del disegno chimico. Metodologie didattiche e Strumenti Per stimolare una continua attenzione e favorire ciascun stile cognitivo le varie proposte didattiche saranno diversificate quanto più possibile. Si utilizzeranno quindi prevalentemente lezioni frontali, ma sarà dato ampio spazio anche ad esecuzione di esercizi individuali, utilizzo di strumenti audiovisivi, partecipazione a progetti, visite di istruzione, conferenze. Codocenza Le ore di compresenza del docente con l'insegnante tecnico pratico sono due alla settimana, in questo tempo prosegue il lavoro relativo alla stesura degli impianti chimici iniziato nella classe precedente (si completa in tal modo il quadro delle operazioni industriali di separazione), dando modo agli studenti di misurarsi autonomamente con semplici problemi di progetto. Le lezioni di disegno vengono tenute dagli insegnanti di teoria e tecnico pratico in stretta collaborazione, sugli argomenti attinenti alla parte di programma in corso. Gli schemi grafici degli impianti chimici vengono svolti dagli studenti in parte in classe e in parte a casa e corretti successivamente in classe nelle ore tecnico pratiche. Un ultimo argomento tecnico pratico previsto è quello relativo ai controlli degli impianti chimici: viene svolto esaminando i possibili sistemi di controllo automatico e la loro applicazione alle operazioni unitarie previste nel programma. Non essendo disponibile una dotazione di laboratorio per le esperienze pratiche, questa parte del programma viene svolta dall'insegnante tecnico pratico in classe con lezioni frontali. Il testo a cui si fa riferimento nel corso di tecnologie è: Tecnologie Chimiche Industriali VoI. III, casa editrice Edisco. Viene utilizzata anche una dispensa, di cui gli studenti si servono già dall'anno precedente, per le norme del disegno degli impianti chimici, non adeguatamente sviluppate nel testo sopra citato (la dispensa è da fotocopiare a cura degli studenti ed è stata redatta dagli insegnanti di tecnologie chimiche dell'istituto).

3 Verifiche e valutazioni Le verifiche della preparazione degli studenti e le relative valutazioni vengono fatte sui diversi moduli del programma man mano che vengono svolti. Prevedendo l'insegnamento di Tecnologie Chimiche una valutazione scritto-grafica ed una orale in pagella, le prove saranno almeno due o tre per tipo (orale e scritto-grafico). Le verifiche scritte sono prevalentemente costituite da esercizi di calcolo e schemi grafici relativi alla progettazione delle singole apparecchiature trattate nella parte teorica. Coerentemente con quanto è stato deciso ed è stato scritto nel Documento di programmazione del Dipartimento di Chimica anche le verifiche di teoria potranno essere costituite da questionari scritti a risposta aperta o test a risposta multipla. Ogni allievo sarà comunque oggetto di almeno una interrogazione orale a quadrimestre. Le valutazioni dei disegni assegnati da svolgere agli studenti concorrono alla formulazione del giudizio finale, ma verranno considerati alla pari delle altre verifiche scritte solo quando svolti interamente a scuola come compiti in classe. Poichè Tecnologie chimiche è sempre stata oggetto della seconda prova scritta all'esame di Stato (a tutt'oggi non vi sono indicazioni su cambiamenti dell'esame di Stato), verso la fine del secondo quadrimestre si effettuano alcune simulazioni di prova d'esame il cui risultato potrà essere utilizzato ai fini della valutazione. Come griglia di valutazione si adotta quella riportata nel Documento di programmazione della disciplina di Tecnologie Chimiche. Contenuti Il corso di tecnologie del quinto anno completa la parte relativa alle operazione unitarie nell'industria chimica da un punto di vista impiantistico. In particolare si prendono in esame i processi di separazione caratterizzati da una successione di stadi di equilibrio. A completamento della parte di programma relativa agli impianti chimici vengono studiati alcuni esempi di applicazione industriale degli impianti stessi: per la parte riguardante la distillazione, l'assorbimento e lo stripping (svolta risolvendo il calcolo e dimensionamento delle apparecchiature) si prendono in esame le operazioni di separazione nell'industria petrolchimica, l'ottenimento e l'impiego delle benzine, la sintesi di alcune sostanze di base, a partire da derivati del petrolio, finalizzate alla produzione delle materie plastiche; la parte impiantistica relativa alla estrazione con solventi (svolta risolvendo il calcolo e dimensionamento delle apparecchiature) viene collegata alla produzione del saccarosio. Questo argomento è previsto nei programmi ministeriali dell'anno precedente, ma si è ritenuto che l'industria del saccarosio sia complessa e richieda conoscenze maggiori di quelle che si maturano in quarta. Per quanto riguarda in particolare la distillazione è importante precisare che vengono svolti i bilanci di materia e di energia relativamente alla sola distillazione con rettifica mentre per gli altri tipi di distillazione viene data solo una descrizione qualitativa ed in alcuni casi uno o due esempi di calcolo. Infine il corso di tecnologie affronta i problemi industriali legati all'uso delle biotecnologie; questa parte del programma viene trattata dapprima sotto gli aspetti generali impiantistici e successivamente con alcuni esempi (produzione di bioetanolo e di antibiotici, depurazione delle acque con metodi ossidativi e anaerobici, smaltimento dei fanghi, produzione di biogas). Per le biotecnologie industriali si ritiene di non affrontare la parte relativa al dimensionamento dei bioreattori, troppo complessa per poter essere affrontata in modo organico ed esauriente, e la parte relativa ai calcoli delle cinetiche di accrescimento che è meglio individuata nel corso di fermentazioni. Le prove dell'esame di Stato degli ultimi anni hanno messo in evidenza la necessità di trattare argomenti inerenti alle problematiche ambientali (idrogeno, biocombustibili). A tal proposito si vuole sottolineare che integrare il programma ministeriale del quinto anno con tali tematiche risulta particolarmente difficile vista l'ampiezza del programma stesso in relazione ai tempi disponibili che tra l'altro si sono ridotti ulteriormente di un'ora.

4 Il programma suddiviso per moduli è riportato di seguito. MODULO 1 Controllo automatico e regolazione dei processi. Cenni generali relativi alle regolazioni MODULO 2 Distillazione. Leggi di Dalton e Raoult per miscele ideali e reali. Volatilità relativa. Diagrammi di equilibrio Iiq-vap, a lente e x-v per miscele ideali e con azeotropo. Calcolo di x e di y dalle tensioni di vapore. Distiliazione di rettifica continua: Bilanci di materia e di energia a tutta la colonna, in testa, in coda, al piatto, al piatto di alimentazione. Rette di lavoro, linea q, significato di q, relazioni esistenti tra le correnti all'interno della colonna. Rapporto di riflusso, R min e R eff. Calcolo grafico del numero di piatti secondo l'ipotesi di McCabe e Thiele. Diametro della colonna e distanza tra i piatti,efficienza della colonna. Tipi di piatti. Apparecchiature ausiliarie. Distillazione continua a singolo stadio (flash): bilanci di materia e di energia. Distillazione completamente discontinua a singolo stadio ( differenziale). Distillazione discontinua : conduzione a X D o R costante. Distillazione in corrente di vapore: bilanci di materia e di energia e Distillazione estrattiva ed azeotropica. Schema degli impianti, per ogni tipo di distillazione escluse estrattiva ed azeotropica, completo di regolazioni. Esercizi di calcolo riguardanti la rettifica continua, esempi solo dimostrativi invece per gli altri tipi di distillazioni. MODULO 3 Assorbimento e stripping Legge di Henry Bilancio di materia, retta di lavoro e calcolo grafico del numero di stadi teorici. Cenni alle apparecchiature con maggior riguardo per le colonne a riempimento. Schema degli impianti completo di regolazioni. MODULO 4 Estrazione. Estrazione liq-liq. a parziale miscibilità : Lettura diagramma triangolare con curva di miscibilità. Estrazione a singolo stadio e a stadi multipli in correnti incrociate e controcorrente: bilanci e calcolo n stadi con metodo grafico. a completa immiscibilita' tra i solventi. bilanci e calcolo n stadi con metodo grafico solo controcorrente. Estrattori. Estrazione sol-liq. Diagrammi triangolari e Curve di equilibrio per la composizione del corpo di fondo Estrazione a singolo stadio e a stadi multipli in correnti incrociate e controcorrente: bilanci e calcolo n stadi con metodo grafico.

5 Estrattori. MODULO 5 Processi petroliferi e petrolchimici Petrolio e frazioni petrolifere. Topping e vacuum. Processi di conversione: cracking catalitico, steamcracking. Benzine e reforming catalitico. Cenni alla marmitta catalitica. Produzione di gas di sintesi, metanolo, MTBE MODULO 6 Polimeri sintetici. Definizioni, caratteristiche e comportamento dei polimeri (plastomeri, elastomeri e fibre). Meccanismo della poliaddizione a catena (radicalica e ionica) e polimerizzazione a stadi. Tecnologie di produzione dei polimeri (in blocco, in soluzione, in emulsione, in sospensione). Poliaddizioni a catena: polietilene (schema dell'impianto e proprietà del polimero). polipropilene (schema dell'impianto e proprietà del polimero). Polimerizzazione a stadi: Produzione industriale del nylon 6,6 (meccanismo e schema dell'impianto). MODULO 7 Processi basati sulle biotecnologie. Impianti di fermentazione industriale: parametri e variabili della fermentazione; materiali e criteri costruttivi per i fermentatori; processi di sterilizzazione continua e discontinua del mezzo, dell'aria e dei condotti; schemi di vari tipi di fermentatori; principali sistemi di controllo di un fermentatore. Produzione di alcol etilico da residui vegetali. Produzione di antibiotici. Depurazione delle acque reflue civili e industriali: metodi biologici. Processi ossidativi ed anaerobici con produzione di biogas. Modena, ottobre 2016